Деятельность кафедры физики
Комплексные исследования взаимосвязи структуры и физических свойств
Научно-педагогическая школа кафедры сформировалась в 50-е годы, после прихода на ее заведование профессора, а в последствии члена-корреспондента РАН и лауреата Государственной премии СССР П.В.Гельда. Ученик и соратник другого выдающегося ученого нашего университета, профессора О.А.Есина, он пришел на кафедру, будучи автором известных научному миру трудов, посвященных физико-химическим основам металлургических процессов. Это материаловедческое направление вместе с тем заделом по научной работе, который был на кафедре, и породило оригинальные физические задачи, которые кафедра продолжает успешно развивать в настоящее время.
Работа по развитию представлений об электронной структуре, атомном и магнитном упорядочении сплавов и соединений переходных металлов с элементами III и IV групп периодической системы, а также по созданию на этой основе новых резистивных и контактных материалов проводится под руководством проф. А.А.Повзнера и проф. Ф.А.Сидоренко. Проведенные комплексные исследования магнитных и теплофизических свойств силицидов железа, кобальта и марганца позволили существенно уточнить представления об их зонной структуре и, в частности сделать вывод о важной роли в рассматриваемом классе веществ расщепления электронных термов во флуктуирующих внутренних сверсильных магнитных полях. Разработанные теоретические положения нашли подтверждение при экспериментальных исследованиях проводимостей и намагниченностей силицидов железа в сверхсильных магнитных полях, проведенных совместно с Российским Федеральным Ядерным Центром - ВНИИЭФ в рамках международной программы "Капица", и в настоящее время используются для разработки новых материалов электронной техники.
Разработаны две группы силициднооксидных материалов для нужд микроэлектроники, используемых в промышленности. Первая группа позволяет изготовить тонкопленочные прецизионные резисторы с уровнем, превосходящим технические характеристики зарубежных аналогов. Вторая группа силициднооксидных композитов позволяет изготавливать толстопленочные резисторы также с высоким уровнем свойств. Особенностью этих материалов является отсутствие в их составе дорогостоящих благородных металлов.
В последние годы проводились также работы по моделированию физических процессов и исследованию на этой основе процессов переноса и фазовых превращений в металлических сплавах. В круг исследуемых явлений входили процессы электропереноса, теплопереноса и диффузии в двухфазных металлических системах, испарения и конденсации тугоплавких конструкционных материалов в высокотемпературных технических установках, кристаллизации сплавов и магнитных фазовых переходов в многокомпонентных твердых растворах. При этом для ряда объектов установлена взаимосвязь факторов геометрии термодинамических систем, процессов переноса в них и особенностей обсуждаемых фазовых превращений.
Обнаружено существенное влияние топологии и геометрии многофазных резистивных систем на величину удельного электросопротивления, температурного коэффициента сопротивления, теплопроводности и термо-э.д.с. Разработаны методы управления процессами переконденсации металлических пленок. Предсказано явление смены режимов переконденсации, отличающихся геометрией зон конденсации. Исследовано влияние технологических параметров на форму жидко-твердой двухфазной зоны, формирующейся при кристаллизации алюминиевых сплавов методом непрерывного литья.
Рассматривалась взаимосвязь решеточных упругих модулей с теплофизическими характеристиками ферро- и парамагнитных переходных и редкоземельных металлов. В рамках развитых термодинамических представлений удалось выяснить роль магнитоупругих взаимодействий ответственных за аномальное поведение ряда физических свойств, в частности, связанных с инварным и элинварным эффектами в ферромагнитных сплавах.
Был выполнен цикл исследований по разработке методов интерпретации сложных спектров ядерного гамма резонанса и установлению особенностей атомного и магнитного строения микрогетерогенных систем, развиты представления о ближнем порядке в кристаллических системах и способах их описания. Разработана технология расшифровки сложных суперпозиционных локальных структур и впервые показана возможность исследования не только парных, но и многочастичных корреляций атомного распределения .
Кроме того, на кафедре выполняется целый ряд других научных работ, имеющих, как правило, важное прикладное значение.
В лаборатории текстурных исследований (доц. Гребенкин С.В.) проводится изучение кристаллографической текстуры и анизотропии физико-механических свойств металлических материалов. Получены систематические сведения о влиянии легирования, вида и степени деформации, а также параметров отжига на характер формирующихся в материале преимущественных ориентировок и уровень свойств. В частности, на основании теоретических изысканий и результатов экспериментального исследования механизмов текстурообразования в титановых сплавах разработаны оптимальные технологические схемы получения полуфабрикатов из них с регламентированным уровнем служебных свойств, создана технология получения широкого листа с высокими показателями штампуемости и повышенной прочностью. Разработаны режимы изготовления листовых полуфабрикатов из титановых сплавов с оптимальным уровнем анизотропии физико-механических свойств.
В лаборатории теплофизических свойств металлов и сплавов (проф. Замятин В.М.) исследуется термодинамика и кинетика фазовых переходов в многокомпонентных алюминиевых сплавах. Основное внимание уделяется структурным фазовым превращениям в сплавах в твердом состоянии и фазовому переходу расплав-кристалл. Результаты исследования температурных зависимостей энтальпии, теплоёмкости, энтропии и энергии Гиббса сплавов в твердом состоянии позволили установить температурные интервалы структурных превращений, выяснить механизмы формирования микроструктуры полуфабрикатов при их термической обработке. Эти данные представляют основу для научно-обоснованного выбора температуры нагрева полуфабрикатов под закалку, а также температур и продолжительности выдержек их искусственного старения.
В лаборатории магнитных измерений (доц. Гущин В.С.) изучаются закономерности фазовых переходов первого и второго рода в переходных металлах с добавками микро примесей высокоактивных элементов, а также в сплавах и соединениях переходных металлов с РЗМ. Установленные аномалии на политермах их магнитной восприимчивости возникающие при плавление и кристаллизации позволили провести расчеты, описывающие изменения электронных характеристик при переходе из твердого в жидкое состояние. В частности, была обнаружена делокализация 4f-электронов легких РЗМ при переходе в жидкую фазу. Полученная в ходе работ информация о температурных и концентрационных зависимостях магнитной восприимчивости сплавов позволила разработать методику подготовки расплава перед кристаллизацией, которая представляет интерес для получения материалов с особыми магнитными свойствами.
В лаборатории диффузии (проф. Левин Е.С., доц. Малышев Л.Г.) проводятся исследования растворимости водорода в сплавах на основе палладия, титана, никеля и железа, а также работы по созданию принципиально нового оборудования для получения особо чистого водорода.
Работы с палладиевыми сплавами позволили создать материал (сплав В-1), широко применяемый в настоящее время при разработке промышленных водородных фильтров. Экспериментальное исследование низкотемпературной водородопроницаемости титановых мембран легло в основу создания теоретической модели, корректно описывающей этот процесс с учетом всех его стадий, включая адсорбцию, поверхностные реакции и последующую диффузию в объеме. Впервые были рассчитаны параметры, характеризующие все стадии этого процесса. Изучение процессов образования и разложения гидридов титановых сплавов привело к разработке принципиально новой методики, основанной на использовании режима линейного нагрева. Разработанная теоретическая модель позволила применить машинные методы для обработки кривых газовыделения и получить информацию о теплоте диссоциации гидридов различного стехиометрического состава, а также ряд данных о структуре этих соединений.
Важными с прикладной точки зрения представляются также результаты изучения наводороживания титановых сплавов в водородосодержащих средах, т.к. эти процессы присутствуют как при обработке металла (травление), так и в процессе их эксплуатации.
На кафедре физики проводились исследования электронных свойств силицидов железа, кобальта и марганца, которые позволили существенно уточнить представления об их зонной структуре. Разработанные теоретические положения подтвердились результатами экспериментальных исследований проведенных совместно с Российским Федеральным Ядерным Центром - ВНИИЭФ в рамках международной программы "Капица". На монокристаллах моносилицидов железа выращенных в лаборатории кафедры физики впервые наблюдался плавный переход полупроводник-металл под действием магнитного поля. В настоящее время эти результаты используются для разработки новых материалов электронной техники.
Под руководством профессоров Б.А.Баума и Г.В. Тягунова проводятся комплексные исследования физических свойств металлических расплавов. Созданы и успешно эксплуатируются уникальные установки для измерения вязкости, плотности, поверхностного натяжения, электросопротивления, магнитной восприимчивости, рентгеновских факторов рассеяния, оптических постоянных, радиационных и других физических свойств. Впервые экспериментально обнаружено и обосновано положение о том, что многокомпонентные металлические композиции после расплавления могут длительное время находиться в неравновесном состоянии, т.е. сохранять элементы ближнего порядка, свойственного исходным кристаллическим фазам. Затвердевание из неравновесных состояний приводит к нестабильности структуры и свойств формирующихся твердых образцов. На основе детального изучения фазового перехода кристалл - жидкость, физических свойств образующегося расплава и процесса его релаксации выявлены новые особенности взаимосвязи и взаимовлияния структур жидкой и твердой фаз.
Наряду с получением большого справочного материала и установлением связей между составом, строением и свойствами объектов создано новое прикладное направление: выяснение роли подготовки расплава в формировании свойств металлопродукции. Разработаны технологические режимы выплавки сталей, чугунов, порошковых и аморфных материалов, внедрение которых в производство привело к заметному улучшению и стабилизации служебных характеристик металлоизделий. Разработана комплексная технология подготовки жаропрочных литейных сплавов на никелевой основе к заливке при производстве деталей газовых турбин по выплавляемым моделям. Ее внедрение в производство позволило повысить прочностные характеристики сплавов в среднем на 15-20%, пластичность в 2-3 раза, жаропрочность на 8-10%, снизить брак по неметаллическим включениям в 5-10 раз. При этом ресурс работы наиболее ответственных деталей газотурбинных двигателей увеличился на 30-50%. За эту работу коллективу сотрудников кафедры и ряда авиационных предприятий была присуждена премия Совета Министров СССР 1991 г. В 1998 г. на базе лаборатории физических свойств расплавов был организован Институт металлических жидкостей.
По результатам исследований сотрудниками кафедры защищено 150 кандидатских и 18 докторских диссертаций, издано 13 монографий. Ежегодно выпускается сборник научных трудов, 100-120 статей в центральных отечественных и международных журналах, 30-40 докладов на российских и международных научных конференциях.
На базе научно-исследовательских лабораторий кафедры разработан и поставлен ряд лабораторных работ для изучения естественно-научных и физических дисциплин второго и третьего уровня:
Лаборатория структурного анализа конденсированного состояния вещества.
"Рентгеновские исследования атомного упорядочения кристаллических систем" (доц. Гофман А.Г.);
"Рентгеновское исследование характеристик ближнего порядка в жидкости" (проф. Баум Б.А.)
"Изучение методов количественного металлографического анализа" (с.н.с. Барышев Е.Е.);
"Рентгенографическое изучение текстуры металлов и сплавов" (доц. Гребенкин С.В.) лаборатория исследования диффузионных процессов
"Исследование диффузии водорода в металлах" (доц. Малышев Л.Г.);
"Изучение окисления металлов" (доц. Лобанов В.В.).
лаборатория физических свойств расплавов
"Изучение кинематической вязкости расплавов" (с.н.с. Вьюхин В.В.);
"Исследование поверхностного натяжения расплавов" (с.н.с. Цепелев B.C.);
"Исследование удельного электросопротивления расплавов" (с.н.с. Цепелев B.C., с.н.с. Тягунов А.Г.);
"Изучение энтальпий металлов и сплавов" (проф. Замятин В.М.)
лаборатория исследования физических свойств твердых тел
"Исследование дислокационной структуры твердого тела" (доц. Папушина Т.И.);
"Исследование температурной зависимости электросопротивления и ТКС металлов и сплавов" (доц. Карпов А.Г.);
"Исследование удельного электросопротивления сплавов" (доц. Вандышева И.В.);
"Исследование теплового расширения твердых тел" (доц. Левченко В.П.)
Создано / Изменено: 23 мая 2020 / 19 марта 2022
© ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Увидели ошибку?
выделите фрагмент и нажмите:
Ctrl + Enter
Дизайн портала: Artsofte
Институт фундаментального образования
Дирекция ИнФО: +7 (343) 375-93-75
Отборочная комиссия ИнФО:
+7 (343) 375-93-71
Деканат: +7 (343) 375-45-34